Xcel Energy 利用在线 DGA 监测改进变压器故障评估

客户： Xcel Energy 是一家著名的电力和 天然气输送公司，为美国中西部和西 部八个州部分地区约 370 万电力客 户和 210 万天然气客户提供服务。

如图： 安装了 OPT100 移动在线 DGA 装 置的 Reinhausen 84 MVA 三相变 压器（2008 年）。

与大多数公用事业公司一样，Xcel Energy 使用溶解气 体分析 (DGA) 作为其维护策略的一部分，用于监测电 网变压器的运行状况。这是使用离线和在线测试的组 合。正是这个在线组件使得 Xcel Energy 维护团队能够 更有效地评估资产运行状况，以制订维护计划并提高维 护操作的效率。

作为监测和分析工具组合的一部分，Xcel Energy 自 2021 年以来一直在使用维萨拉的移动 OPT100 DGA 监测器。他们的变电站现场工程团队使用在线 DGA 监 测器来帮助找到答案并更好地了解关键变压器的析气 模式，或者那些通过离线 DGA 测试发现存在异常的 变压器的析气模式。虽然离线 DGA 采样对于发现潜在 故障变压器至关重要，但 Xcel Energy 发现，使用在线 DGA 监测器可以让他们更好地分析有问题的变压器， 并在问题变得严重或发生故障之前对其进行诊断。虽然 手动采样可以有效识别问题变压器，但试图通过手动采 样分析问题成本太高、程序复杂且难以实现。

本案例研究很好地说明了如何结合使用这两种方法。它 演示了 Xcel Energy 如何在通过离线 DGA 采样识别出 的可疑变压器上使用移动 OPT100 在线 DGA 监测器。 此外，它还演示了通过使用在线监测如何获取所需数据 并将数据安全地记录下来。这使得 Xcel Energy 维护团 队能够就更为有效的方法做出明智的决定，为变压器未 来的运行制定预防性维护策略。

挑战：识别存在潜在故障的变压器

Xcel Energy 在西得克萨斯州的一个输电变电站拥有一台 84 MVA 矿物油 填充（7,800 加仑）输电变压器，于 2008 年投入使用。异常析气的第一个迹 象是从 2020 年 7 月采集的 DGA 样本中检测到的，其中乙烯和甲烷含量升 高表明变压器存在高温问题（图 1）。

无论气体含量增加的原因如何，都已确定可能形成故障。为了进一步分析并 确定可能发生故障的位置，Xcel Energy 维护团队使用 FLIR T865 对该装置 进行了一些应用红外成像 (IR)。分析显示，一个绕组位置的温度明显高于其 他位置，表明变压器的某个区域可能存在热点（图 1）。根据这些信息，维护团 队开始更频繁地提取油样，作为初步方法更密切地监测情况变化。但问题似 乎变得越来越严重，反映在产生的气体不断增加，于是不得不停止使用变压 器，以便采用离线电气测量执行进一步检查。

杜瓦尔三角形 5（图 2）指示油中存 在潜在的高温故障，但并未表明其 中明显涉及纸绝缘的问题。不过，一 氧化碳 (CO) 浓度升高、CO2/CO 比 率降低（介于 3 和 4 之间），以及大 量碳氢化合物气体的形成，依然表 明纸绝缘问题与此故障有关。因此， 即使三角形 5 只是指示油中可能有 问题，但结果接近可能的纸质碳化 (C) 和 T3-H 之间的边界，这一事实 支持其中可能存在纸绝缘问题的观 点。本案例展示了离线溶解气体分 析结果中更为常见的测量不确定性 的潜在影响以及它如何影响对问题 的诊断。这是在线 DGA 监测更为有 效的另一个原因。

随着机组下线，维护团队开始了一 系列全面的离线测试，包括 Doble 整体、套管、避雷器、TTR、绕组电 阻、漏抗和励磁。其中，只有 TTR（ 变压器匝数比）表明三次绕组或套 管存在故障。这与红外成像结果相 吻合，红外成像也表明故障区域位 于 Y3 三次绕组附近。不过，使用 Doble M4100 对套管本身进行的 测试并未发现任何严重故障，尽管 在变压器三级套管下方似乎确实有 一个热点。综合考虑 DGA 结果和电 气测试，维护团队倾向于相信问题 可能出在绕组三级套管下方的热点 或绕组外引线上的热点。

由于存在变压器故障的潜在风险， 维护团队决定将油箱中的油放掉， 并执行彻底的内部检查，以确定故 障及其位置。Xcel Energy 工程师 试图查找的一些可能原因是油箱中 的连接松动或金属碎片。

执行彻底的目视检查后，没有发现 任何异常或问题（见图 2）。这并不 奇怪，由于三次绕组及其出口引线 位于最内侧的绕组，因此对它们进 行检查本身就是一项重大挑战。此 外，绕组或其引线内的故障位置可 能被一层厚厚的绝缘纸覆盖，从而 有效地隐藏了故障，直到故障发展 到外层绝缘层的某些部分开始变成 深色的程度，而这种情况只有在纸 张严重退化后才会出现。

解决方案：应用在线 DGA 监测

经过全面的评估和讨论后，Xcel Energy 维护团队决定断开三次绕组，并于 2022 年 2 月恢复变压器在线运行。通过重新连接到附近的配电线路来提供 替代电源，以代替断开的三次绕组。

(图 2. 对三次绕组现场可疑故障位置进 行目视检查。 >)

重新通电计划的一个关键部分是 Xcel Energy 工程师在变压器中添加了一 个在线 DGA 监测器，以便他们可以实时监测气体的形成。在这种情况下，他 们使用了移动 OPT100 DGA 监测器（图 3）。这是维萨拉的多气体 DGA 监测 器，安装在拖车上，可轻松部署在现场，以收集在线数据，从而增强监测和分 析。这使得 Xcel Energy 团队能够在变压器通电并在正常负载下运行时实 时监测变压器状况及其析气模式。OPT100 监测器在几个小时内就能安装 到现场，并通过无线网络将数据和气体警报发回给控制团队。有了在线 DGA 监测器以确保安全和放心，维护和管理团队对变压器恢复运行感到安心。

正如预期的那样，当变压器再次通电并加载时，DGA 监测器在前几周显示 出气体有所增加的趋势。这种观察结果在预料之中，而且很常见，因为绝缘 纸内所含油中浸渍的“旧”气体会逸出到用于重新填充变压器的新加工油中。 启动时，这些气体会慢慢地从纸中迁移到主体油中，直到气体达到新的平衡 并且气体水平稳定下来。这种增加通常是更换油或处理油之前水平的 5% - 10%，具体取决于变压器设计。这里似乎也是这种情况。例如，甲烷和乙烯大 约增加到初始值的 7%。

(图 3：安装在变压器上的维萨拉移动 OPT100 装置。 >)

然而，在线监测显示其他气体还在 继续增加。在接下来的四个月里，乙 烯、甲烷和一氧化碳的增加量分别 约为 10 ppm、4 ppm 和 35 ppm。 尽管乙烯的增加量相对较低，但它 是持续的，而且看起来变压器中的 高温问题可能仍然存在（图 3）。

在线监测也检测到了泄漏

此外，OPT100 在线监测器还发现 了另外一个问题。尽管变压器是密 封的，并且储油柜中有一个内胆以 防止大气氧气进入，但看起来变 压器并不是完全密封的，还是有环 境空气进入。这是通过系统中总气 体压力 (TGP) 的持续上升来确定 的。TGP* 是一种检测密封变压器泄 漏的方法，使用分压总和来确定 O2 和 N2 是否进入系统。该检测系统 集成在 OPT100 DGA 监测器中。

如果 TGP 读数显示环境压力大幅 度变化，则表明密封变压器出现泄 漏，如该变压器的数据所示（图 4）。 或者，如果已用氮气覆盖，那么如果 压力降至环境压力，则表明氮气覆 盖系统出现故障。

虽然由于油浸纸中滞留了气体，在油经过处理后气压有所增加是正常现象， 但这种增加应该是最小的，小于 1 psi（大约相当于饱和油中压力的 7%）， 并且应该在 2022 年 6 月初稳定下来，与碳氢化合物气体的行为相一致。因 此，总气体压力显著且持续的增加表明有氧气和氮气从变压器外部进入。我 们知道，几乎所有的氧气和氮气都是由周围空气的进入造成的，因为故障气 体对 TGP 读数的贡献可以忽略不计。

结论：

由于气体持续增加，Xcel Energy 维护团队决定停止使 用该变压器，因为它明显发生损坏且处于故障状态。虽 然没有处于“指数”故障状态，但它已接近其技术使用寿 命，并且可以在其位置设置并联的“姊妹”变压器来承载 负载，直到可以安装新的变压器。总体而言，离线测试发 现该装置存在问题，而通过在线监测，维护团队能够获 得所需的证据并最终确认事实。同样重要的是，有了在 线监测器，管理团队知道他们有一个本地警报来保护当 地人员的安全。

没有对这台变压器进行详细检视，因为它作为紧急备用 变压器进入库存。但考虑到新变压器的交付周期很长， 而且 Xcel Energy 工程师现在对变压器的状况有了更 详细的了解，资产健康团队对将该设备作为备用产品的 决定充满信心。但如果将变压器再次投入使用，则需要 安装在线 DGA 监测器，并且在运行时限制场内通行，因 为事实证明该变压器已接近使用寿命的终点。该计划改 善了资产和资本预算的使用，同时确保安全并持续向电 网提供可靠的能源。

通过在线 DGA 监测，Xcel Energy 团队能够再次以安 全可靠的方式延长这些资产的使用寿命，从而证明了这 项技术的价值。

总体而言，此案例展示了 Xcel 团队如何 (1) 使用离线 DGA 测试来初步识别故障，(2) 执行进一步的离线测试 以验证故障状况/位置（如果不是确切的问题），然后 (3) 采用 OPT100 在线 DGA 监测器来确认故障类型并在 机组运行时提供更好的趋势数据，并保护现场人员的 安全。

此外，该案例还展示了通过使用在线 DGA 监测，Xcel Energy 维护团队如何能够及时做出明智的决策，从而 避免可能代价高昂的意外停机。

*总气体压力：用于检测变压器泄漏的新方法。S. Leivo/维萨拉。2020